FILIPPO A RREDI Ordinurio di Costruzioni Idrauliche nella Facoltà di Ingegneria della Università di Roma

COSTRUZIONI IDRAULICHE Volume secondo

Parte prima

Le opere di trasporto e di distribuzione

Sewnda edi:ioM

UNIONE TIPOGRAFICO-EDITRICE TORINESE

INDICE

A-vvlwtenza .. • . ....... .. . Pag. xn

LE OPERE DI TRASPORTO E DI DISTRIBUZIONE

lnt.l·otluzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pag. 3

l - L'acqua elemento singola.rc e fattore fondamentale della vita 3 2 - Le utilizzazioni dell'acqua . . . . . . . . . . . . • 4 3 - Il patrimonio idrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 5 4 . I luoghi e i tempi delle disponibilità e i luoghi e i tempi

delle utilizzazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 - La, degradazione dei caratteri dell'acqua nelle utilizzazioni 7 6 - Le opere di u tilizzazione . . . . . . . . . . . . . . 9

CAPITOLO I. - Caratteristiche generali delle opere di trasporto e di distribuzione . . . . . . . . . . . 10

l . Le opere di trasporto e di disti·ibuzione . » 10 · 2 I tubi di ghisa . . . . . . . . . . . . • 13 3 I tubi di acciaio senza saldatura . . . . 22 4 I tubi di acciaio saldati longitudinalmente, di serie 29 5 I tubi di acciaio saldati elicoidalmente . . 30 6 I tubi di a~oiaio saldati di gr ande diamctro . 32 7 I t ubi blindati . . . . . . . . . . . . . • 33 8 I tubi di calcestruzzo di cemento armato . 35 9 - I tubi di cemento amianto . . . . . . . 41

10 I tubi di resine . . . . . . . . . . . . . 43 · 11 · Le disposizioni di appoggio e di ancoraggio dei tubi al terreno 49 12 · Le gallerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . t 53 13 · Cunicoli e gallerie eseguiti con il sistema dei tubi a spinta » 96 14 - I canali superficiali . . . . . . . 98 15 - Sifoni, ponti tubo e ponti canale . 111

Bibli-ografia . . . . . . . . . . . » 116

CAPITOLO II. - La cot·rosione tlei tubi

~ l

-tì'2 3 4 .

L 'equilibrio della, anidride ca.rbonica e l 'aggressività l'acqua . . ..... . ... . .... . La corrosione delle strutture metalliche . . Conni di teoria della corrosione dei metalli La corrosione del ferro . . . . . . . . .

del-

117

117 '11. 121 122 128

VI

5 Le sovraiensioni 6 Le pile locali .

Jndi('e

7 La corrosione nel terreno 8 I nfluenza di microrganismi nella corrosione O Le correnti vagan ti

10 La corrosione atmosferica. 11 - La corrosione dei t ubi di ghisa 12 I tubi di acciaio - La protezi one passiva - I rivestimenti 13 La prot.ezionc catodica - Generalità. . . . . . 14 Il potenziale di prote.-.ionc . . . . . . . . . . 15 - Il sistema di protezione con correnti impresse . 16 Gli anodi rcattivi . 17 Cenni teorici sulla distribuzione del potenziale . 18 Dispositivi e provvediment i particola,ri nella protezione ca-

todica 19 - Provvedimenti per le int erferenze 20 - La protezione dalle correnti vaganti . . . . . . , . 21 - La protezione delle t ubazioni di acciaio non interrate 22 - La corrosione dei materiali cementizi . 23 - La corrosioue degli elementi ferrosi entro il calcestruzzo Bibliografia

OaPITOLO III. - Il moto uniforme e il moto J>ermanente nei si·

Pag. 135 Ul

• 143 147 148 150 151 ];)2

164 168 170 172 173

• 180 182 186 190 191 201 203

stemi di tubazioni 204

1 Il mo~o uniforme . . 2 I sistemi di t ubazioui 3 Sistemi di tipo aperto con unico estremo di alimenta.zione 4 - Introduzione al problema di minimo costo - Elementi del

costo delle tubazioni 5 I costi virtuali degli impianti di produzione di energia o

di sollevamento . , 6 I mpianti di produzione di energia o di sollevamento a por­

tata va.riabile nel t empo . 7 - Equazioni generali di minimo costo del sistema 8 Risoluzione generale del sistema di equazioni determina.-

204 216 218

221

224

2<r - 0

227

tol·e dei diametri delle tubazioni e dei salti t 231 283 234

9 - Caso di tubazioni metalliche 10 - Metodo di risoluzione per approssimazioni successive . 11 - Sistema di tubazioni metalliche, senza. diramazioni . . 12 Osservazioni sull'impiego delle espressioni risolutive del caso

precedente 13 - I sistemi di tipo chiuso 14 - Il problema. di verifica 15 - Il metodo di Cross di bilanciamento dei carichi 16 . n metodo di bilanciamento delle portate 17 - Caso generale di indetermiuazione 18 I modelli elettrici . 19 - Tuba.zioni con erogazioni lungo il percorso Bibliografia

OAPITOLO IV. - Il moto vario olastico nelle tubazioni .

.A) C..utATTERI E D EQUAZIONI GENER ALI DEL PROCESSO

l - Introduzione 2 - I parametri elastici del sistema

\

235

238 239 243 245 246 250 253 255 267 •

269

269 • 269 » 270

Indice

3 Le equazioni generali del moto vario clastico 4 I caratteri generali del molo vario clastico

Vll

Pag. 273 • 278

13) ANAT~ISI l>J<:I. MOTO VARIO ELASTICO NEL CASO CLASSICO 281

5 n caso classico . La condizione (li csLrcmo superiore . 281 6 La relazione delle sovraprcssioni nell'estremo inferiore •> 284 7 - Deduzione dello sovraprossioni in una sezione generica dalle

sovrapressioni all'estremo inferiore >> 285 8 Le vicende del moto conseguenti ad a.nnullamcnto istan-

taneo o gra.duaJ.e della portata all'estremo inieriore >> 286 9 La relazione di estremità inferiore nel caso classico » 291

10 L'espressione delle serie concatenate di Allievi . • 293 11 Le manovre lineari 2!)-7 12 Analisi delle sovrapressiooi aJ.l'estremo inferiore, da ma.

noVJ.·e lineari, durante la manovra >> 300 13 Analisi delle sovrapressioni all'estremo infcriOI'e, da. ma.novre

lineari, dopo il termine della manovra . & 305 14 La semplificazione di De Sparre • 308 15 Il maggior va.lore delle sovrapressioni per il complesso di

tutte le manovre lineari brusche di variazione di apertura 309 16 Il maggior valore delle sovrapressioni per il complesso di

tutte le manovre lineari lente di variazione di apertura . » 315 17 Il maggior valot·e delle sovrapressioni per il complesso di

tutte le manovre lineari . 326 18 Lo vicende delle sovrapressioni per piccole varia.zioni del

grado di apertura . 328 19 Distribuzione delle maggiori sovra,pressioni lungo la tuba-

zione • 330

0) I SISTEMI DIVERSI DA QUEUO CLASSICO IL lllETODO SCHNYDER· BERGERON - IL METODO DELLE CARATTERISTICHE 331

20 I dispositivi terminali diversi da quelli del caso classico • 331 21 Tubazioni a caratteristiche variabili • 339 22 - Il procedimento grafico Scbnyder e Bergeron per tubazione

unica a caratteristiche uniformi >> 352 23 La determina.zione delle vicende del moto vario in una

sezione intermedia della t ubazione & 360 24 Variante d'impostazione del procedimento Schnyder e Ber-

geron per tubazione unica ed uniforme 361 25 Criteri approssimati sull'influenza delle resistenze passive . 364 26 - Applicazioni del procedimento Schnyde1· e Bergeron tenuto

conto delle resistenze pas.;ive » 368 27 - Tubazione di un impianto di sollevamento » 374 28 Sistemi di tubazioni - Il metodo di Schnyder e Bergeron -

Le caratteristiche noda.li . 381 29 Guida generale aJ.J'applica,zione del metodo Schnyder e

Bergeron . & 386 30 Relazioni algebriche della ripartizione delle sovrapressioni

ai nodi del s.istema 389 31 - Ripartizione delle sovrapressioni nel nodo condotta forzata

pozzo piezometrieo galleria. in pressione di un impianto idroelettrico 392

32 - Il metodo delle caratteristiche - Princìpi di base • 400 33 Il metodo delle caratteristiche Procedimento di applica-

zione 404

Vlii Indice

D ) I L lfOTO YAH TO D'I X:ilEME X:EL f!ISTE:U,\ CL:\S::i l CO F. T.A J!ECOLA· ZIO.X}: UEI GJWPPI IDROELETTRICI

34 :.Vfoto vario elastico e moto vario d ' in ~i t>J ll e 35 • Le equa;t, ioni clel moto vario d 'in::;icmc . 36 I..'assimilab.ilith del moto vario elastico al moto vario d'in.

sieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 · La regolazioue dei gruppi idroelettrici nei rappm'Li col moto

vario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - · · · 38 La potenza della corrente idrica durante le variazioni di

apertura . . . .... .. .............. . 39 · Gli effetti sulla marcia del gruppo t urbina. alternatore delle

variazioni della potenza idrica affiucntc . . 40 · Impianti a piccolo salto . . . . . . . . . 41 Le sovrapressioni nel moto vario d'insieme 42 Caso di sovrapressioni relativo piccole 43 Manovre di piccola ampiezza . . . . . . . 44 I valori limiti delle sovrapressioni 45 Il moto vm:io d'insieme con le dissipazioni di energia 46 · Il moto val'io con condotto di affinsso e condotto di sca-

rico della turbina . . . . . . . . . . . . . . .

CAPITOLO Y. - Il moto vario d'jnsieme nei sistemi serbatoio gal­leria pozzo piezometrico . . . . . . . .

.A) ASPETTI E CARATTERISTlCHE GENERALI UEL lfOTO •.

l Le funzioni del pozzo piezometrico . . . . . . 2 • Il processo di moto vario d'insieme nel sistema 3 · Questioni generali di dimensionamento clel pozzo 4 I pozzi di tipo speciale . . . . . . . . 5 · Le ipotesi fondamenta-li del processo di moto vario d'in-

sieme nel sistema . . . . . . . . . . . . . 6 Le equazioni generali del moto. nel sistema . . . . . . . 7 · Le equazioni generali in forma adimensionale . . . . . . 8 Condotte e gallerie a sezione variabile o multiple in pa.rallelo 9 . Osservazioni su alcuni parametri del sistema,

10 - Le manovre di maggior interesse . . . . . . . . . . . .

B) AK ALI SI GENERALE DEL PROCESSO OSCILLATORIO • . . . . . . •

11 Il caso di riferimento: pozzo èilindrico, assenza di dis;,ipa­zioni di energia, manovra istantanea . . . . . . . . . .

12 Pozzo cilindrico, assenza di dissipazioni di energia, manovra graduale . . . . . . . . . . . . . . .

13 Pozzo oilindl'i.co, assenza di dissipazioni di energia, due manovre istantanee successive . . . . . . . . . . . . .

14 Pozzo cilindrico con camera superiore cilindrica, assenza di dissipazioni di energia, riduzione istantanea di portata . .

15 Rapporti del moto vario d'insieme con ilmot.o vario elastico

0) TEORIA NELLE CO:NDIZIONl REALI . . . . . . . . . . . . • . ·

16 Pozzo cilindrico, presenza di dissipazioni di energia., annul­lamento istantaneo della portata derivata . . . . . . . .

17 Pozzo cilindrico con camera superiore ed inferiore cilin­driche, presenza. di dissipazioni di onorgia, annullamento istantaneo della portata derivata . . . . . . . . . . . .

18 · Pozzo cilindrico, presenza di dissipazioni di energia, aumento istantaneo della portata derivata . . . . . . . . . . . .

Paq. 410

410 411

4-lij

41 S

421

& 426 » 431 » 433

437 440 441 443

445

& 447

& 447

• 447

• 448 451 452

400 464 468 472 474

» 479

• 480

480

l) 483

488

491 493 503

503

510

513

Iu<lic-e

Hl Por.zo ciliuùrico, pre.senza di dissipazioni di C'ucrgia. varia­zioui ista.utance qualsiasi llclla portata derivata.

20 Analisi di massima dell'efTcrto di una strozzatura 21 l'ozzo cilindrico con strozzat.w·a, annullamento istantaneo

ddla portn t.a. derivata . 22 Pozzo cilindrico cçon strozzatura, a.umeuto isl.a.ntanco della

portata ùcl'ivata 23 ConJ:ronto degli effetti della stro7.7.atura per riduzione e

a.nmento della port:~ta derivata 24 J'ozzo ciJjndrico con strozzatura : manovre mnltiple 25 Teoria dci pozzi dillcrcnziali . 26 - Teoria dei pozzi sfioranti

il) I PROCEDn!E::-JTI DI I::\'l'EGRAZIOJ\E AP:PROSSDLl.Tl .

27 Procedimenti d'integrazione numeiica delle equazioni gene-

IX

Pag. 518 531

544

544 548

• 551 » 564

567

ra.li alle differenze finite . 567 28 Il procedimento grafico di Calamo e Gaden 572 29 - Pozzi cilindrici senza. o con strozzatw·a . » 5ì4 30 Pozzo a sezione variabile con strozzatura 580 31 Variazioni graduali della portata. derivata . 583 32 Introduzione nel metodo grafico delle perdite di carico nella

condotta . • 588 33 Pozzi nello gallerie di scarico >> 594

E) La STAlllLITÀ. DELLA REG OLAZIONE DEGLI IMPIAJ\l'I IDROELETTRICI 599

34 - Aspetti generali del problema della stabilità di regolazione della potenza negli impianti idroelettrici a serbatoio >l 599

35 - La teoria della sta.bilità di Thoma 602 36 Richiami di nozioni generali sulle condizioni analitiche circa

la stabilità dei sistemi meccanici . 608 37 Trasformazione dello equa.zioni di moto vario del sistema

in equazioni alle va.riazioni 613 38 Applicazione doi criteii generali di stabilità. al caso del si-

stema di Thoma. 614 39 - Ampliamento del sistema di 'l'horn~~> con l'inserimen to della

condotta forzata. 616 40 - Influenza stilla stabilità del regolatore e del gruppo • 619 41 - I regolatori . 620 42 L'equa.zione alle varia.zioni del regolatore 627 43 L'equazione alle va1·iazioni del moto vario del gruppo e

l'equazione allo variazioni dell'afflusso alla tm·bina . 629 44 La stabilità del sistema regolatore-gruppo o del sistema

condotta regolatorc-gruppo 631 45 La stabilità del sistema totale 635 46 La stabilità degli impianti in parallelo 637

F) LA PROTEZIO~TE DELLE TUBAZIONI .ALDIE:-ITATE DA POMPE

47

48 -("49

50

51

I dispositivi di protezione dalle sovrapressioni di moto vario elastico delle tuba.zioni alimentate da pompo I pozzi piezometrioi .

- Le casse d 'aria - Lo equaziooi di moto v-ario d 'insiemo nel sistema tubazione-

cassa d'aria La. risoìuzione del sistema di equazioni del moto vario d'in­sieme nel sistema tubazione-cassa d'aria

641

641 641 643

645

650

x Indice

52 - Il moto vario nel sistema pompa a pistone - Nlssa d 'a.ria -Lubaziono · Le equa:cioni generali

53 . Il moto vario nel sistema pompa a pistone - eassa d'aria . . tubazione . Le oscillazioni a regime

Bi bUografì.a (Ocvpitoli IV e l') . . .

Pag. 655

661

669

CAPITOLO VI. - Statica delle tubazioni j) 679

l

2

3 4 5 6

7

s

9 10

Le azioni attive agenti su un elemento di tubo . Il peso proprio c le pressioni dell'acqua . . . Le sollecitazioni indotte dalle pressioni centrali nello stato di tensione p iano . . . . . . . . . . Le azioni termiche . . . . . . . . . Reazioni di due appoggi concentrati simmetrici Appoggio Stl superfici larghe . . . . Le pressioni d'appoggio su terreno sciolto e le pressioni di rinterro . . . . . . . . . . . . . . La stabilità longitudi nale dei tubi ancorati all'estremo iù-feriore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le azioni longitudinali su un tronco di t uba.zione rettilineo bloccato ad entrambe le estremità . . . . . . . . . . . Le forze longitudinali nelle tubazioni stabili non ancorate La flessione trasversale dovuta aUe azioni attive non cen­tralmente simmetriche . . . . . . . . a) Pressioni complementari dell'twqua b) Peso proprio . . . . . . . . . . c) Pressioni dell'acqua durante il riempimento d) Forza F, applicata nella sezione dell'anello di angolo 80

avente direzione radiale, verso positivo centrifugo. . . e) F orza F, applica.ta nella sezione dell'anello di angolo 80 ,

avente direzione normale a quella radiale di angolo B0 ,

linea d'azione a distanza ka dal centro, verso positivo

679

>) 682 686 687 690

692

697

702 703

706 709 710 711

714

ora.rio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715 f) Forza Fv pa.ra.llela e forza F 0 normale all'asse ~ appli­

cate nella sezione di angolo B0 a distanza a (k - l) dal baricentro della sezione . . . . . . . . . . . . . . 717

g) Forza P applica-ta nella sezione di angolo 80, parallela all'asse ~ e verso contrario a quello dell'asse stesso (nel primo quadrante) . . . . . . . . . . . . . . . . . 717

h) Pressioni P·v pai:al1ele all'asse ~. con verso positivo con­trario a quello dell'asse stesso (nel primo q,uadmnte), agenti lungo la :fibra media dell'anello, dalla sezione di angolo 81 alla seziQne di angolo 82 , di intensità costante 718

i) Pressioni p0 in direzione normale aU'asse l;, con verso positivo volto verso l'asse stesso, agenti lungo la fibra media dell'anello, dalla sezione di angolo &1 alla sezione. di angolo 62, di intensità costante. . . . . . . . . . 720

l) Pl'essioni mdiali con verso posi ti v o centripeto agenti lungo la fibra media dell'anello, da.lla sezione di an­golo 01 aUa sezione di a.ngolo 02, di intensità va.ria.nte linearmente con l'angolo a . . . . . . . . . . . . . 721

m) Pressioni normali alle direzioni radiali, con verso posi­tivo ora.rio, agenl;i lungo la fibra media dell'anello, dalla sezione di angolo 81 alla sezione di a.ngolo 62, di inten-sità va-riante linearmente con angolo a . . . . . . . >> 723

Indice

n) Prc<;sioni parallele, all'as:;e ;, con •erso po. ltli'O con ­trario a quello detrasse stc,;;so, agent.i lungo la fibra media dell'anello dalla sezione di sommiti\ (0 = O) alla seziono di a.ngolo 02 , di in tensità proporzionale alla di­s tanza, i.n rli.reziOuC parallela all'asSO ,, delle a i i'Cl"SC sezioni da q uolla di sommitib . . . . . . . . . . . .

o) Pressioni in direr.ione normale all'asse C. cou verso posi­tivo volto verso l 'asse stesso, agenti lungo la fibra media dell'anello, dall l\ sezione di sommitiì. (O = O) alla sezione ili angolo Oz, di intensità. proporzionale ulla distanza, in direzione parallela all'asse ç, delle divct·se sezioni da. quella di sommitll. . . . . . , . .

11 La pressione critica di schiacciamcnto 1:2 La continuità longit.udina1e 1:.1 I.-e relazioni fra spostamenti e deformazioni 14 - Le relazioni fra spostamenti e sforzi . . . 15 Struttura a simmetria centrale · Le equazioni di equilibrio 16 - Tubo di grande hmghezza · E ffetto di carico concentrato

o di vincolo su una direttrice . 17 Effetto di vincoli vicini tra loro . . . . . . . . . . . . 18 Tubi blindati . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . 19 r~e azioni complementari - Le equazioni di equilibrio in stato

di memb1·ana . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Tubo orizzontale soggetto a peso proprio e peso dell'acqua 21 Gli sposta-menti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Lastra cilindrica soggetta a pressioni e forze continue, in

regime flessionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 - Tubo orizzontale sogget to a peso proprio e peso dell'acqua 24 - Tubo orizzontale soggetto al peso proprio cd al peso del­

l'acqua, con estremità vincolate a flange rigide . . . . . 25 - La stabilit à dell'equilibrio elastico di una tubazione sog­

getta a compressione assiale p e:r forza, applicata alle estr emità

:Xl

rag. 725

il 726 • 727

731 & 732

735 » 737

743 746 749

)} 757 & 760 » 762

• 765 & 768

774

779

B'ibliogmfì.a . . . . . . . . . . . , . . . . . . , . . . . . » 78G